Il calore latente è una grandezza che descrive i passaggi di stato della materia e dipende sia dalla sostanza che dallo specifico cambiamento di fase. Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica. Se frequenti le scuole superiori, potrebbe essere oggetto di compiti in classe e interrogazioni.
Cos’è il Calore Latente?
Il calore latente è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato. L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg. Talvolta si usano le chilocalorie, kcal/kg. Infatti, in tutti questi casi non possiamo usare la formula classica del calore Q = m ∙ c ∙ ∆T, secondo cui il calore è direttamente proporzionale sia alla variazione di temperatura che alla massa.
Invece, durante i passaggi di stato, è dimostrato empiricamente che non si verifica alcun cambiamento di temperatura nelle sostanze che passano da uno stato a un altro, ad esempio da solide diventano liquide. Come già accennato sopra, la principale proprietà del calore latente è che nel sistema che scambia energia, assorbendola o rilasciandola, non si verifica alcuna variazione di temperatura.
Passaggi di Stato
Uno stato della materia è la configurazione in cui si trova un determinato materiale: può essere solido, liquido o gassoso. Una transizione di fase (o "cambiamento di stato" o "passaggio di stato") è il processo di trasformazione dallo stato solido, liquido o gassoso in un altro di questi stati. I materiali cambiano stato a seconda dell'energia che ricevono o perdono.
Con l'aumento dell'energia in un materiale, l'energia cinetica media degli atomi inizia ad aumentare, facendo vibrare maggiormente gli atomi e allontanandoli fino a rendere possibile una transizione di fase. Il fatto che la transizione di stato dipenda dall'energia cinetica delle molecole rende questo processo fisico, piuttosto che chimico, e non importa quanta energia cinetica sia immessa o sottratta al materiale, la sua massa si conserverà sempre e il materiale rimarrà sempre lo stesso.
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Mentre nei solidi le molecole sono legate l'una all'altra da un legame forte, le molecole dei liquidi hanno un legame più allentato tra loro; sono ancora legate, ma non sono così rigide. Questo consente loro un più ampio grado di movimento: scivolano l'una sull'altra. Nei gas, questo legame è completamente rotto e le singole molecole sono in grado di muoversi in modo completamente indipendente l'una dall'altra.
Una transizione di fase avviene attraverso una perdita o un aumento di energia all'interno delle molecole del materiale, di solito attraverso una variazione di temperatura o di pressione. I passaggi di stato delle sostanze pure avvengono infatti a temperature ben precise e caratteristiche per ogni sostanza; queste temperature rimangono costanti per tutta la durata del processo.
Tipi di Passaggi di Stato
- Solidificazione: Passaggio da liquido a solido. Un buon esempio è quello dell'acqua che si trasforma in ghiaccio. Il punto in cui si verifica il congelamento è noto come punto di congelamento. In questo stato, il moto delle molecole è ridotto a un moto vibrazionale.
- Fusione: Passaggio da solido a liquido. La fusione è l'opposto del congelamento. Durante la fusione la temperatura rimane costante.
- Evaporazione: Passaggio da liquido a gas. Il punto in cui un materiale evapora è noto come punto di ebollizione.
- Condensazione: Passaggio da gas a liquido. La condensazione è l'opposto dell'evaporazione.
- Sublimazione: Passaggio diretto da solido a gas. In generale, la temperatura e la pressione devono essere molto basse perché ciò avvenga.
- Deposizione (o Brinamento): Passaggio diretto da gas a solido. Un esempio è la formazione della brina.
La tabella riassume i diversi passaggi di stato:
| Passaggio di Stato | Descrizione |
|---|---|
| Fusione | Passaggio da solido a liquido |
| Solidificazione | Passaggio da liquido a solido |
| Vaporizzazione | Passaggio da liquido ad aeriforme |
| Condensazione | Passaggio da aeriforme a liquido |
| Sublimazione | Passaggio diretto da solido ad aeriforme |
| Brinamento | Passaggio diretto da aeriforme a solido |
Sublimazione: Un Approfondimento
La sublimazione è diversa dagli altri cambiamenti di stato che abbiamo esaminato. Di solito, una sostanza cambia fase "uno stato alla volta": da solido a liquido a gas, o da gas a liquido a solido. Tuttavia, la sublimazione salta il passaggio intermedio e fa sì che un solido si trasformi in un gas senza doversi trasformare in un liquido!
Per sublimazione si intende il passaggio di un corpo dallo stato solido allo stato aeriforme senza passare attraverso lo stato liquido; tale trasformazione avviene con acquisto di calore ed è quindi un processo endotermico. Soltanto pochi solidi molecolari, nei quali i valori delle energie di legame fra le molecole sono modesti, possiedono una pressione di sublimazione apprezzabile anche a temperature non elevate.
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La sublimazione si verifica quindi in quelle sostanze nelle quali la tensione di vapore uguaglia il valore della pressione atmosferica prima di raggiungere la temperatura di fusione. Esempi di sostanze che possono sublimare: iodio, naftalina, canfora, anidride carbonica solida (nota anche come ghiaccio secco).
Brinamento
La deposizione è il cambiamento di stato che si verifica quando un gas si trasforma in un solido. Un esempio è la formazione della brina: il vapore acqueo presente nell'aria in una giornata molto fredda incontrerà una superficie fredda, perderà rapidamente tutta la sua energia e cambierà stato diventando solido sotto forma di brina su quella superficie, senza essersi mai trasformato in acqua.
Come si Calcola il Calore Latente?
Nel caso della fusione del ghiaccio, ad esempio, la temperatura resta costante per tutto il processo anche se il sistema continua ad assorbire energia dall'ambiente sotto forma di calore. Tale quantità di energia è chiamata calore latente di fusione. Nel caso della fusione, il calore assorbito viene utilizzato per vincere le forze di coesione che mantengono le molecole fisse, vicine le une alle altre.
Come la fusione, anche l'ebollizione è un processo che richiede energia. Il calore latente di vaporizzazione (o di ebollizione), fornito durante l'ebollizione della sostanza, viene utilizzato per indebolire le forze di coesione tra le particelle del liquido, permettendo loro di allontanarsi fino a passare allo stato di vapore.
Svolgiamo un esempio per rendere più chiare le idee. Supponiamo di volere determinare la quantità di calore necessaria per fondere un cubetto di ghiaccio di massa 120 g che si trova alla temperatura di 0°C. Pertanto per fondere 120 g di ghiaccio che si trovano alla temperatura di 0°C è necessario fornire una quantità di calore pari a 40.020 J.
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